三峡水库蓄水后上下游站水文资料整编优化分析

三峡水库蓄水后上下游站水文资料整编优化分析
赵蜀汉;香天元;赖厚桂
【摘要】随着江河各类水利工程的大量新建,涉水工程对水文站网的测验及资料整编的影响日益突出,已经成为当前水文测验及资料整编工作中亟待解决的问题.通过
对三峡水库蓄水前后上下游站水位-流量关系扣单断沙关系进行对比分析,提出了蓄水后库区、坝区、坝下游各测站的流量、泥沙测验及资料整编优化方法.采用优化
后的整编方法,可使区域各站的水文测量精度及成果准确性明显提高.
【期刊名称】《人民长江》
【年(卷),期】2012(043)023
【总页数】5页(P18-21,32)
【关键词】水文站网;流量;水文测验;资料整编;三峡水库蓄水
【作者】赵蜀汉;香天元;赖厚桂
【作者单位】长江水利委员会水文局,湖北武汉430010
【正文语种】中文
【中图分类】P332
1 研究背景
近年来，随着水利工程建设的快速发展，不少水文站由于受水利工程和人类活动的影响，原天然条件下的水文测验环境和条件发生了改变。

特别是对于某些大中型的水利工程，仅靠变更或迁移测验断面等传统手段，不能从根本上解决问题［1-2］，
因此，研究涉水工程对水文监测与资料整编的影响，是水文测验工作中的重点与难点。

三峡工程是长江中上游段建设的大型水利工程。

大坝位于三峡西陵峡内的宜昌市夷陵区三斗坪，并和其下游不远的葛洲坝水电站形成梯级调度电站。

自2003年建成并投入使用后，三峡工程在一定程度上改变了上下游下垫面的状况以及水文站所在局部河段的水沙特性和测验条件，测站的控制代表性和水文资料的一致性遭到破坏。

因此，三峡水库蓄水后，对水文测验的资料整编进行优化，是当前迫切需要解决的问题和工作。

2 研究区概况
2.1 河道特性
三峡水库库区干流河段流经地势高峻、山峦起伏的高山峡谷区。

重庆至宜昌长约660 km，平均比降0.18‰，俗称川江;其间奉节至宜昌段长约200 km，流经瞿
塘峡、巫峡、西陵峡峡谷，又称峡江。

宜昌以下，干流进入中下游冲积平原，两岸地势平坦，湖泊众多，沿岸建有完整的防洪堤，水面坡降平缓，宜昌至湖口平均比降0.03‰。

其中湖北枝城至湖南城陵矶(洞庭湖出口)一段，因流经古荆州地区，
俗称荆江，荆江河段内有三口分流入洞庭湖。

2.2 水沙特性
万县站位于三峡库区，测验河段位于沱口与明镜滩之间，主河槽偏右，两岸多乱石，系单式断面，基本稳定。

宜昌水文站位于长江上游与中游的交界处，是长江上游干流出口控制站。

前述3个江段的水沙主要来自其上游干、支流。

宜昌、枝城、沙
市和监利水文站多年水沙统计资料表明，各江段径流量年际间差异较大，年内分配极为不均，绝大部分集中在汛期5～10月，平均约占全年总量的76%。

来沙年内分配规律基本与来水相似，汛期大于枯季，5～10月来沙平均约占年总量的88%。

宜昌以下有清江汇入，清江多年平均来水来沙分别占宜昌的3.0%和1.7%。

沙市
以上有松滋口和太平口分流分沙入洞庭湖，两口分流分沙比多年平均分别占宜昌的10.1%、9.8%和 4.2%、4.1%。

监利上游藕池口是荆江诸口分流分沙入洞庭湖的
主要通道。

荆江裁弯取直后，藕池口分流分沙比占干流(枝城)的比例，由20世纪50年代的15%下降到80，90年代的5%。

实测资料表明，近年来，由于河口的淤高和断面的淤积，长江三口五河过水过沙能力有减小的趋势。

2.3 站网布设基本情况
长江干流上主要涉及万县、庙河、黄陵庙、宜昌、枝城、沙市、监利等国家基本水文站，长江主要支流清江出口控制站高坝洲站，荆江“三口”主要涉及新江口、沙道观(二)、弥陀寺(二)、藕池(管)、藕池(康三)等站。

区域内水文站监测项目较为全面，本文涉及的测验内容主要包括各站受水利工程影响较为突出的水位、流量、悬移质输沙率、颗分等项目。

3 蓄水前后水沙特性变化
3.1 水位-流量关系
受三峡工程影响，库区、坝区、坝下游站水位流量关系曲线呈不同的特点。

(1)库区水文站受蓄水影响，测验河段水深加大、流速减小，其水位-流量关系主要受三峡水利工程变动回水、上游洪水涨落等因素的影响，与历年水位流量关系相比发生了较大改变，不同时期水位与流量关系不同，水位-流量的相关性受到了一定
程度影响，如万县站在低水位、中水位及高水位时的水位流量关系。

(2)黄陵庙水文站位于三峡大坝、葛洲坝两坝间，其水位-流量关系非常紊乱，原有关联性基本丧失。

(3)坝下游干流水文站的水位-流量关系主要受洪水涨落、回水顶托、断面冲淤等因素影响，与历年水位流量关系基本相似，受清水下泄影响，在不同水位级略有变化，绳套线有所增加，低水较为显著。

(4)荆江三口各水文站中，新江口、沙道观(二)站为松滋口分流、东西支流控制站，水位-流量关系主要受洪水涨落影响，高水期洞庭湖涨水时也受其顶托影响。

三峡水库蓄水运行后，水位涨落频繁，水位-流量关系线型与历年一致。

在蓄水初期的2003～2007年，绳套明显增加;蓄水后期，因低水期下泄水量相对稳定，水位-流量关系以单一线为主。

弥陀寺(二)站为荆江太平口分流水量控制站，水位-流量关系主要受洪水涨落因素影响和下游洪水顶托影响，加之距太平口口门较近，其水位-流量关系较为复杂，以绳套曲线为主，但带幅较其他两口偏大。

2003年三峡水库蓄水运行后，洪水涨落频繁，水位-流量关系线型与历年基本一致。

藕池(管)、藕池(康三)站为荆江藕池口分流藕池河、安乡河水量控制站。

水位-流量关系主要受洪水涨落因素影响，高水期受洞庭湖水顶托影响，水位-流量关系以绳套为主。

2003～2007年三峡水库运行初期，水位-流量关系线型基本与历年一致，但绳套明显增加。

3.2 单断沙关系
(1)三峡大坝以上水文站，由于测站断面比较稳定，水库调蓄对含沙量的横向分布影响不大，单样测验的代表性比较稳定，各站单断沙关系曲线相对稳定，与历年关系线基本一致。

(2)三峡大坝以下水文站地处荆江河段，2003年三峡水库蓄水运行，清水下泄对河势和断面冲淤变化产生了一定的影响，含沙量横向分布变化较为明显，测站单样含沙量测验的代表性受到了不同程度的影响。

4 测验与资料整编方法优化
4.1 流量测验与整编
4.1.1 测验手段的提升
三峡工程建成并投入运行后，上下游站的测验条件发生了较大变化，传统的水文监测遇到了较大的挑战，突出表现在以下几个方面。

①测验时机的掌握较为困难。

由
于三峡工程频繁调度的影响，日流量变化较为频繁且规律难以掌握，造成准确把握各水文站代表性流量的测验时机变得越来越困难，尤以库区水文站枯季水文测验最为突出(三峡大坝在枯季蓄水发电，水位变幅较小而流量变化却较大)。

② 库区站水深加大，传统的测验方式方法，如流速仪流量测验等难以满足生产要求。

以万县站为例，最大水深达180多米，传统的流速仪几乎无法完成正常的流量测验。

③受水利工程影响，测站水位-流量关系变得非常紊乱，基本无章可循，如三峡大坝和葛洲坝之间的黄陵庙水文站，清江水布垭水电站下游的高坝洲水文站。

为解决以上突出问题，长江水利委员会水文局在测验手段和方法方面进行了大量的探索与试验。

对于三峡大坝上游的大水深流量测验，引进了150K的低频走航式多普勒流速仪，现已应用于万县和庙河水文站，效果较为理想。

对于测验时机的难以掌握但水位-流量关系相对较好的水文站，如宜昌、枝城、沙市、监利等站，主要采用普通型的多普勒流速仪，达到了提高测验效率和降低测验成本的目的。

对于水位-流量关系异常紊乱的测站，如黄陵庙、高坝洲水文站，探索使用水平式ADCP 进行流量实时在线监测，效果较好。

4.1.2 整编方法的优化
库区水文站受蓄水影响，测验河段水深加大、流速减小，水位-流量关系与历年相比，发生了较大改变。

因此，流量资料整编方法由原来的绳套曲线定线调整为采用连时序法定线，少部分点子作综合定线，如万县、清溪场等站。

坝区庙河站位于三峡大坝上游12 km处。

三峡水库正常蓄水运用后，在汛、枯季两个时段，坝前水位分别保持在145 m和175 m左右运行，该站各流量级均受三峡水库频繁调度影响，无法建立水位流量关系，目前还不能通过传统的水位-流量关系法推算流量。

因此根据水量平衡原理，采用葛洲坝下游约6 km的宜昌站整编水位、流量过程，由宜昌至葛洲坝、葛洲坝至三峡大坝、三峡大坝至庙河站间槽蓄量变化推求庙河站流量过程，再依据庙河站全年实测流量成果，对推算的流量过程
进行修正，最后采用连实测流量过程线法进行流量资料整编。

三峡大坝蓄水前，坝区两坝间黄陵庙水文站的资料整编，采用上、下游与本站水位的综合落差指数法进行。

蓄水后，该站水位、流量过程均直接受水库闸门调节影响，原有落差已不能反映该站流量的变化过程，近坝河段水位-流量关系变得非常紊乱，原有的整编方法不再适用。

运用水量平衡方程，以计算时段(3 h)为基准，以相应
时段的宜昌站整编水位、流量数据和黄陵庙水文站、南津关水位站的水位数据，计算相邻时段的水位变化引起的河段槽蓄量变化，从而推算出黄陵庙断面每日8段
制的流量过程。

同时，根据黄陵庙站各次实测流量的平均时间，插补各次实测流量对应的推算流量，建立黄陵庙断面全年实测流量与对应推算流量的线性相关关系，利用相关系数对黄陵庙断面推算出的流量数据进行修正，得到用于断面流量整编的过程数据，最后用连流量过程线法进行整编。

2010年，采用H-ADCP监测成果，通过与黄陵庙站实测流量成果的相关数据进行率定分析，推求H-ADCP监测流量
过程，采用流量过程线法进行黄陵庙站流量整编。

坝下游的干流水文站水位-流量关系与历年比较相似，受清水下泄影响，在不同水
位级略有变化，绳套线有所增加，一般采用连时序法绳套曲线定线，低水采用单一线或临时曲线推求下游各站的具体整编方法如下。

(1)宜昌站在进行了水流特性分析后，当水位小于43.50 m时，一般按单一线定线;受葛洲坝水利枢纽突然开、关闸及冲沙等影响时，按临时曲线法进行整编。

当水位超过43.50 m时，受洪水涨落、断面冲淤影响时，按连时序法布置测次，用绳套
曲线整编。

为加强低、枯水期流量测验，低水期流量定线采用两条单一线，汛前、汛后分别处理，以充分反映葛洲坝下游河床逐步冲刷的情况。

2004年以来，宜昌水文站低、枯水期测验成果与葛洲坝下游河床冲刷分析结果一致。

(2)枝城站位于宜昌下游，上游有清江支流汇入，河床较稳定，水位-流量关系主要受洪水涨落影响，蓄水前，低水采用单一线或临时曲线整编，高水采用绳套曲线整
编。

2003年三峡水库蓄水运行以后，枝城站来水受水库调节影响，洪水涨落频繁，水位陡涨陡落，水位-流量关系线型与蓄水前基本一致，但复式绳套有所增加，整
编方法未变。

(3)沙市(二郎矶)站位于荆江河段的沙市市，水位-流量关系主要受洪水涨落、冲淤
变化影响，高水期少数年份个别时段有顶托影响。

三峡水库蓄水运行后，因受水库调节影响，洪水涨落频繁，但因河蓄调节水位变化平缓，水位-流量关系线型呈与
蓄水前基本相似，但2003～2006年内初期，绳套曲线明显增多。

运行后期，由
于低水期上游来水相对稳定，该站水位-流量关系基本为单一线，主要采用连时序
法绳套曲线定线。

(4)监利(二)站位于荆江河段下游，离洞庭湖与长江汇入口较近，水位-流量关系主
要受洪水涨落、断面冲淤变化及顶托等因素影响。

2003年三峡水库蓄水运行对水位流量关系影响不大，该站水位-流量关系仍为复杂的绳套曲线，采用连时序法绳
套曲线定线。

(5)荆江三口各水文站以及新江口、沙道观(二)站为松滋口分流、东西支流控制站，水位-流量关系主要受洪水涨落影响，高水期洞庭湖涨水时也受其顶托影响，低水
采用单一线或临时曲线整编，中高水采用绳套曲线整编。

三峡水库蓄水后，水位涨落频繁，水位-流量关系线型与历年一致。

在蓄水的前期(2003～2007年)绳套明
显增加，运行后期因低水期下泄水量相对稳定，水位-流量关系以单一线为主，整
编方法未变。

(6)弥陀寺(二)站为荆江太平口分流水量控制站，水位-流量关系主要受洪水涨落影
响和下游洪水顶托影响，加之距太平口口门较近，该站水位-流量关系较为复杂，
以绳套曲线为主，但带幅较其他两口偏大。

2003年三峡水库蓄水后，洪水涨落频繁，水位-流量关系线型与历年基本一致，主要采用连时序法绳套曲线整编。

(7)藕池(管)、藕池(康三)站为荆江藕池口分流的藕池河、安乡河水量控制站。

水位
-流量关系主要受洪水涨落因素影响，高水期受洞庭湖水顶托影响，水位流量关系
以绳套为主。

2003年三峡水库蓄水后，运行初期(2003～2007年)水位-流量关系线型基本与历年一致，但绳套明显增加，采用连时序法绳套曲线整编。

2009～2010年，枝城、沙市(二郎矶)、监利(二)3个站先后实施 ADCP测流，同时，枝城、沙市(二郎矶)、新江口、沙道观(二)、藕池(管)、藕池(康三)水位-流量
关系，采用单值化进行流量资料整编。

4.2 泥沙测验与整编
4.2.1 测验方案的优化
根据断面含沙量横向分布的变化，对输沙率、单样取样位置的代表性和垂线的取样方法进行分析，对测验方法进行优化。

4.2.2 整编方法的完善
大部分站断面含沙量采用单断沙关系曲线法推求，部分站结合断沙过程线法推求。

(1)宜昌以上水文站，由于测站断面比较稳定，水库调蓄对单样含沙量测验的代表
性影响不大，各站单断沙关系曲线相对稳定，与历年关系线基本一致，整编仍采用单断沙关系曲线法。

(2)枝城以下水文站地处荆江河段，2003年三峡水库蓄水，清水下泄对河势和断面冲淤变化带来了影响，含沙量横向分布变化较为明显，测站单样含沙量测验的代表性受到了不同程度的影响。

(3)枝城站在三峡水库蓄水前，历年采用单断沙关系曲线整编，多数年份单断沙关
系系数稳定在0.99～1.00。

三峡水库蓄水后，单断沙关系混乱，改用断沙过程线
法整编。

2005年重新分析了单断沙关系，仅汛期采用单断沙关系，枯季采用断沙过程线法。

2007至今，单断沙关系基本稳定，采用单断沙关系曲线整编。

(4)沙市站在三峡水库蓄水前，汛期采用单断沙关系曲线法，关系系数为0.987～1.005，枯季为断沙过程线法。

蓄水后，单断沙关系发生改变，通过按不同水位级、
垂线和流量权重，计算单样含沙量重新确定单断沙关系，汛期采用分析后的单断沙关系曲线，枯季采用断沙过程线法。

(5)监利(二)站在蓄水前，汛期采用单断沙关系法，枯季采用断沙过程线法。

2004年单断沙关系开始散乱，定为折线。

2005年至今，采用断沙过程线法。

(6)荆江三口各水文站在三峡水库蓄水前后，各单断沙关系相对稳定，与历年关系线相比基本一致，新江口站仍采用单断沙关系曲线法。

沙道观站2006年前采用单断沙关系曲线法，2007年断面迁移后采用断沙过程线法。

弥陀寺站2007年前采用单断沙关系法，2008年因断面下迁，改为断沙过程线法。

藕池(管)、藕池(康)站2005年前采用单断沙关系法，2005年改为缆道测验后，采用断沙过程线法。

5 成果的合理性检查与评估
通过对照上下游各站历年的水量可以看出，改进测验手段与优化和完善整编方法，使上下游相关水文测站水量总体上保持了较好的平衡。

位于三峡水库上游的万县站在三峡截流的前后两年，上下游水量平衡影响不大，但从三峡水库逐渐开始提高试验性蓄水位后(库区水深加大)，其与上游站水量平衡关系变差。

2007年万县站年径流量反而小于上游的清溪场站。

经分析，初步断定是因三峡水库日调度频繁，该站实测流量代表性不足造成的。

而位于三峡水库下游各水文测站，在三峡水库提高试验性蓄水位后，水量平衡的精度较先前有了较明显的提升。

6 结论
(1)采用ADCP进行流量测验，不仅改进了流量测验的手段，而且较大缩短了流量测验的时间，提高了水位与流量变化的相应性，进一步改善了资料的合理性。

水平式ADCP通过指标流速法实施流量的在线监测，较好地解决了受两坝水利工程影响测站流量的测验问题，但指标流速法是经验方法，要加强对指标流速模型参数的率定，以保证推求流量的准确。

然而，采用水平式ADCP等先进的手段，其较高
的运行成本会给普通测站带来较大的经济压力，相对基础测站来说，从分析与摸索水文规律的角度出发，以现有的方式解决水利工程影响带来的测验难题，应成为其解决测验难题的首选。

(2)对受各种水力因素影响，特别是受水利工程调节频繁影响的测站资料整编，选
取合适的整编方法对成果的合理性至关重要。

根据测站特性的变化，采用多样化的整编方法分别处理受不同水力因素影响的流量资料整编，要根据水位-流量的关联
程度选用合适的方法，以取得最佳的整编成果。

(3)单断沙关系曲线法是推求断沙的主要方法，成果精度易于控制和检验。

单断沙
关系曲线法的核心是单样的代表性，当含沙量横向分布发生变化影响单样代表性时，应加强分析，引入影响变化的水力因素对单断沙关系进行率定，提高单断沙关系的稳定性。

参考文献:
［1］井涌.从人类活动影响水文测验谈贯彻《水文条例》［J］.中国水利，2009，(3):12-15.
［2］黄先玲，张红霞，张保刚，等.水利工程和人类活动影响的水文测验对策［J］.河南水利与南水北调，2008，(1):26-27.。